KR101613071B1

KR101613071B1 - 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학기기

Info

Publication number: KR101613071B1
Application number: KR1020137029537A
Authority: KR
Inventors: 싱증 루
Original assignee: 와치먼 테크 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2016-04-19
Also published as: JP5890898B2; CN102253491A; EP2687894A1; US9019175B2; KR20140016964A; EP2687894A4; CN102253491B; WO2012174997A1; JP2014522511A; US20140125559A1

Abstract

본 발명은 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기에 관한 것이다. 이에는 영상 모니터, 광학투명재료와 반사경이 포함된다. 광학투명재료는 영상 모니터와 반사경 사이에 기울어지게 설치되고, 광학 투명재료위에서 영상 모니터와 마주한 면에 제1반사방지막이 코팅되어 있으며, 다른 면에는 편광막이 코팅되어 있거나 편광막과 제2반사방지막이 코팅되어 있다. 반사경과 광학투명재료의 협각과 제1반사방지막의 코팅 각도의 합은 90도이다. 본 발명은 복굴절이 허상 광학 디자인의 광학기기 구조 디자인에 작용하는 것으로 혁신 개선한 광학 신규 디자인을 한다. 공간 허상 영상은 더욱 큰 배율로 확대할 경우 영상이 더욱 크고 선명하며, 영상의 평정도가 더욱 높고, 구부러지게 변형하지 않아 HMD제품 분야 시장의 고객 수요를 만족시킬 수 있다.

Description

비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학기기{OPTICAL DEVICE FOR VIRTUAL IMAGE DISPLAY WITH UNEQUAL FOCAL LENGTH AND HIGH MAGNIFICATION}

본 발명은 광학기기에 관한 것으로, 특히 코팅기술을 광학기기에 응용하여 복굴절 영상을 진행하는 허상 디스플레이 장치이다. 구체적으로 말하자면 일종의 단 초점, 고 확대배율, 현상이 선명하고 평평한 허상 디스플레이 광학 기기에 관한 것이다.

현재 전통적인 HMD와 같은 허상 디스플레이 광학기기, 예를 들어 특허번호 200710176478은 광학 반사 및 굴절 효과를 통해 허상 투영을 진행하고 있다. X의 반 반사 및 굴절 광학효과에 광학 응용을 조합한 허상 디스플레이 장치이다. 허상 영상은 편광판 시스템에서 분광한 후 이미징편에 이미징하는데, 이때 이미징 초점 거리 (편광유리에서 이미징편까지의 거리)가 비교적 길다. 이미징편의 영상은 시각 초점거리 (눈에서 편광유리까지의 거리)위의 실상과 허상이 반반인 이중영상이 중첩되어 구성된 것으로 선명도가 떨어진다. 이미징편위의 영상은 확대배율의 증가에 따라 영상이 구부러지고 변형되어 반 호형으로 휘어지고, 확대배율이 높을수록 변형이 심해진다. 이는 기본적인 기하 광학 원리이다. 또한 이미징편의 설정에 의해 이런 허상 광학 장치의 시각 초점 축이 비교적 길어 모니터의 외관 사이즈 크기에 영향을 준다. 기하 광학은 투영 시스템 광학기기 디자인시, 보통 투사 영상이 변형되어 휘어지는 문제를 해결하는 방식에서 다층차 확대를 하여 층별 확대에 전체 빔 빛의 난반사 각도를 더해 영상의 변형상황을 최소화 시킨다. 이런 광학기기의 광 로드축을 길게 하려면 여러개의 렌즈 조합이 필요하고, 체적 사이즈가 매우 길고 크게 된다.
허상이미지에 대한 기술문헌은,
일본특허등록번호 제 2045300호(1996.4.9),
미국특허번호 4,988,976호(1991.1.29),
중국특허출원번호 200710176478.X호(2007.10.29)가 있다.

본 발명의 목적은 기존의 허상 디스플레이 광학기기에 존재하는 이미징 초점이 길고, 선명도가 떨어지며 만곡 변형이 심각한 문제와 시각 초점축이 길고, 모니터의 외관 사이즈 크기에 영향을 주는 문제에 대해 구조가 간단하고, 시각 초점축이 짧고, 영상 사이즈가 크고, 평정도가 높으며 선명도가 우수한 허상 디스플레이 광학기기를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술방안은 아래와 같다. 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학기기에는 영상 모니터, 광학 투명재료와 반사경이 포함된다. 상기 광학투명재료는 상기 영상 모니터와 상기 반사경 사이에 기울어지게 설치되고, 상기 광학 투명재료 위에서 상기 영상 모니터와 마주한 면에 제1반사방지막이 코팅되어 있으며, 다른 면에는 편광막이 코팅되어 있거나 편광막과 제2반사방지막이 코팅되어 있다. 상기 반사경과 상기 광학투명재료의 협각과 제1반사방지막의 코팅 각도의 합은 90도이다.

본 발명의 상기 영상 모니터, 상기 광학투명재료와 상기 반사경은 동축에 설치한다.

본 발명의 상기 광학투명재료는 시각 동축선에 위치하여 있다.

본 발명의 상기 광학투명재료는 고온에 견디는 유리이다.

본 발명의 반사경과 상기 광학투명재료의 협각은 45도이고, 상기 제1반사방지막의 코팅 각도는 45도이다.

본 발명의 상기 반사경은 요면 확대 반사경 또는 요면 확대 반사경 유닛이다.

본 발명의 유익한 효과는 아래와 같다.

본 발명은 복굴절이 허상 광학 디자인의 광학기기 구조 디자인에 작용하는 것으로 혁신적으로 개선한 광학 신규 디자인을 갖는다.

최신 허상 굴절 광학의 광학응용원리로 공간 허상 영상이 더욱 큰 배율을 확대하는 상황에서 영상이 더욱 크고, 더욱 선명하며, 영상의 평정도가 더욱 높고, 영상이 더욱 크고 선명하며, 영상 평정도가 더욱 높고, 구부러지게 변형되지 않는다. 또한 영상의 시각축(초점) 거리를 더욱 짧게 축소시켜HMD제품 분야 시장의 고객 수요를 만족시킬 수 있다. 본 발명의 광학 디자인은 광학기기의 확대영상배율로 인한 영상 변형 문제를 돌파하여 선명도 왜곡척도 손실을 감소시키고 광학기기의 시각축 거리가 커 제품 외관에 불리한 난제를 극복하였다.

본 발명은 광학투명재료 상면 즉 영상 모니터와 마주한 면에 제1반사방지막이 코팅되어 있어 광학투명재료 위에서 가시 거리(편광)축의 이미징 초점거리를 대폭 단축시킴으로써 외관 디자인이 더욱 가볍고 얇고 작은 반면에, 투영 영상은 더욱 크고 더욱 선명하게 투사되어 변형되지 않은 평정한 영상을 얻고 제품의 시장 실용성을 증가시켰다.

본 발명은 가시 거리축 (편광) 이 더욱 짧으므로 외관 구조에서 더욱 얇고, 더욱 가볍고, 더욱 작게 설계할수 있어 실용성이 강하다.

본 발명은 광학투명재료 하면 즉 영상모니터와 반대 면에 편광막과 제2반사방지막을 코팅하여 광원 영상이 광학기기내에서 투영 빛 경로에서 생긴 광 간섭 보편 자연현상을 없앨 수 있으며(예를 들어 빛의 난반사로 인한 할레이션 및 슈퍼임포즈), 광원 영상 선명도의 하락을 피한다. 공간 허상의 영상을 증가시키고 광학기기 암실효과하에서 투영 실상에 더욱 가까운 진실도를 나타내고 선명도가 높다.

본 발명의 허상 디스플레이 광학기기는 이미징 확대배율이 높아 단축된 이미징 초점 거리에 의해 10-15%의 확대 시각 느낌을 증가할 수 있다.

본 발명은 기초기하 광학원리의 틀에서 벗어나 투영광학제품의 디자인 응용에서의 공간 및 발전을 더욱 많이 생기게 한다.

도 1은 본 발명의 구조 설명도이다.
도 2는 본 발명의 주요 광로의 광학 로드 설명도이다.
도 3은 본 발명의 광학 로드 설명도이다.
도 4는 본 발명의 광학기기 조합의 시스템 파라미터도이다.
도 5는 본 발명이 허상을 채취하는 원리 설명도이다.

아래 첨부 도면과 실시례를 결합하여 본 발명에 대해 진일보하여 설명하고자 한다.

도 1 내지 도 3과 같이 일종의 허상 디스플레이 광학기기로서 영상 모니터(1), 광학투명재료(2)와 반사경(3)이 포함된다. 본 실시예에서 상기 광학투명재료(2)는 유리편으로 이루어진다. 상기 광학투명재료(2)는 영상 모니터(1)와 반사경(3) 사이에 기울어지게 설치되고, 광학투명재료(2) 위에서 영상 모니터(1)와 마주한 상면(즉, 뒤에 말하는 유리편의 제1평면(8))에 제1반사방지막(4)이 코팅되어 있으며, 하면(즉, 뒤에 말하는 유리편의 제2평면(7))에는 편광막(5)이 코팅되어 있거나 편광막(5)과 제2반사방지막(6)이 코팅되어 있다. 상기 반사경(3)과 상기 광학투명재료(2)의 협각(α)과, 상기 제1반사방지막(4)의 코팅각도(β)의 합(α+β)은 90도이다.
상기 코팅각도라 함은 기판에 비친 입자의 방향과 코팅할 표면의 법선 사이의 협각을 말하는 것으로써, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0101035호 등에는 반사물질의 코팅각에 대한 내용이 기재되어 있으며, 이러한 내용으로 알 수 있듯이 반사물질, 반사방지막 등의 코팅각도는 이미 널리 사용되는 용어이다.
편광막(5)의 기능은 일본특허제 2045300호(1996.4.9)문헌을 참조한다.

그중, 영상 모니터(1)는 실체 영상 화면을 나타내고 또 영상 광선을 투사하는데 사용한다.

반사경(3)은 평광막(5)이 코팅된 유리편 즉 편광유리을 뚫고 온 영상 모니터(1)가 투사한 광선을 반사한다.

제1반사방지막(4)의 코팅방법은, 전자 코팅기가 광학투명재료(2)에 대해 반사방지막을 코팅하는 과정중에서 전자 코팅기의 입자총 전극이 양전하, 음전하를 분극화 하여 역방향으로 반사방지막을 코팅하며 광학투명재료(2) 표면에 제1반사방지막(4)을 형성한다.

편광막(5)을 코팅한 유리, 즉 편광유리는 도면 1과 같이 상면에 제1반사방지막(4)이 코팅되어 있고, 하면에 편광막(5)과 제2반사방지막(6)이 코팅되어 있을시, 편광유리 위의 제1반사방지막(4)은 반 통과, 반 반사성을 갖고 있다. 상기 제1반사방지막(4)은 영상 모니터(1)를 향한 면이 투과면으로 통과성을 갖고 있고, 편광유리을 향한 면이 반사면으로 반사성을 갖고 있다. 편광유리 아래의 제2반사방지막(6)은 반 통과, 반 반사성을 갖고 있다. 상기 제2반사방지막(6)은 반사경(3)을 향한 면이 반사면으로 반사성을 갖고 있고, 편광막(5)을 향한 면이 투과면으로 통과성을 갖고 있다. 영상 모니터(1)가 투사한 광선이 편광유리을 통과하여 반사경(3)에 오고, 편광유리는 반사경(3)이 반사한 광선을 반사한다.

유리편은 도 1과 같이 상면에 제1반사방지막(4)이 코팅되어 있고, 하면에는 편광막(5)과 제2반사방지막(6)이 코팅되어 있다. 도 2와 같이 영상 모니터(1)가 광선(a)를 내보내어 유리편의 제1평면(8)과 제2평면(7)을 통과하여 반사경(3)에 비추고, 반사경(3)이 광선을 유리편의 제2평면(7)에 반사시켜 제2반사방지막(6)에서 분광을 발생시키고, 주 분광성(c)가 유리편의 제2평면(7)에 굴절되어 제1반사방지막(4)에서 반사된 광선(d)이 제2반사방지막(6)을 통과한 후 발사되어 사람의 망막 영상 형성구에 영상을 형성한다.

도 3과 같이 (a)는 통과성 광선, (b)는 굴절 광선((a)의 주 분광선 통과), (c)는 주 분광선, (e)는 부 분광선 (통과), (d)는 (e)의 반사광선, (h)는 분광(a)의 부 분광선이다.

도 5에서 F는 g축의 시각축 거리 (즉 초점 거리)이다.

구체적으로 실시할 경우:

복굴절 허상 광학 디자인의 광학기기에서 해당 디자인 광학기기의 부품에 대해 광학 개량 설계를 진행한다.

개량 방식은 :

1. 도 1과 같이 유리편의 제2평면(7)에 전자 증착코팅을 하여 기능각도 디자인이 있는 편광막(5)을 코팅함으로써 광선이 50%의 통과율과 50%의 반사율 특성을 갖게 한다. 균일하게 분광 영상작용을 일으키고 선명한 2갈래의 실(허) 분광 영상이 생기며, 하면에 제2반사방지막(6) 코팅을 한층 더 하여 광선 통과율을 증가시키고 시각 선명도를 증가시키며 외계 광원의 난반사로 인한 광간섭과 할레이션 영향을 방지한다.

2. 유리편의 제1평면(8) (즉, 광학투명재료(2)위, 영상 모니터(1)와 마주한 면)은 역방향 전자 증착코팅법 (특허번호가 제201110069118.6호 광학 영상 형성에서 광 간섭 영향을 해소하는 제1반사방지막(4) 코팅 방법 적용)으로 상면에 제1반사방지막을 코팅한다. (1. 이미징편으로 사용. 2. 유리편 두께내에 발생한 광원 난반사 현상 및 고스팅을 없앰으로써 영상이 광 간섭 감소로 인해 영상 선명도, 즉 왜곡척도에 영향을 주는 문제를 최소화 시킨다.)

3. 기존의 편정광축, 즉 시각축선위의 이미징편 장치를 제거한다. 이미징편 기능을 유리편의 제2평면(7), 즉 제1반사방지막(4)이 코팅된 평면에 이전하여 시각 초점거리의 길이를 효과적으로 단축하고 영상 시각 효과를 확대한다.

4. 안구창 접목경 창구에 렌즈 추가 설치 장치를 만들어 중증 근시와 노안, 그리고 노안 및 근시를 앓고 있는 환자가 사용하는 시각 교정용 도수보유 렌즈를 보강하고 노안 및 근시를 앓고 있는 환자가 사용할 시각 교정용 도수 있는 렌즈를 통해 시각 초첨거리의 초점을 조정한다.

광학기기 구조 및 부품의 기술적인 설치를 개량하여 생긴 새로운 광학 응용원리 및 작용, 그리고 광학작용 효과에 대한 설명은 아래와 같다.

상기 1, 2, 3항이 수정한 원리에 대한 설명이다.

3항 설계 개량은 이미징편 기능을 제1평면(8), 즉 제1반사방지막(4)이 코팅된 평면에 설계하여 영상이 형성되는 초점 거리를 단축시키고, 반사방지막의 역방향 코팅하에 광원영상을 45도 각으로 유리편의 제2평면(7), 즉 편광막(5)과 제2반사방지막(6)의 평면에 편광작용을 하여 같은 작용이 요면을 통과하여 굴절경에 확대된다. 호형면의 곡률 굴절을 거쳐 확대된 후, 편광 45도 각의 제2평면(7)에 투사하여 돌아와 두갈래의 굴절 분광영상이 생겨 제1평면(8)의 반사방지 작용면으로 가고, 한갈래는 90도 각으로 직접 제1평면(8)을 통과하고 다른 한갈래 분광영상은 90도 각이 되지 못하고 제1평면(8)에 투사된다. 반사방지막의 정방향 작용에 의해, 또 90도 각이 아니기에 굴절 광속이 생겨 제2평면(7)에 돌아가 제2평면(7)을 통과하여 시각축의 축선에 도달하며, 안구 망막구에 들어가 감응하여 영상을 형성한다. 때문에 망막 초점거리의 초점은 제2평면(7)의 편광막(5)에서 영상의 고정 초점 거리의 초점을 형성한다. 광원 영상은 유리편의 두께에 의해 생긴 여러차례 굴절광 로드 연장으로 초점이 되나, 망막상의 공간 허상에는 없다.(이 허상은 안구 시각의 초점 조정 동작에 영향주지 않음) 또한 광원 영상은 영상 형성면이 편광판 제1평면 (제1반사방지막(4) 표면)위에 이전되어 기존의 편정광축 로드가 대폭으로 단축되게 하고, 눈으로 본 영상 시각거리가 더욱 가깝고, 영상이 더욱 큰 시각느낌을 준다. 상기 내용은 영상 확대를 초래한 가성효과 원리에 대한 설명이다.

유리편의 제2평면(7)에는 편광코팅 후 제2반사방지막(6)을 코팅하고, 제1평면(7)에는 제1반사방지막(4)을 추가 코팅하여 연합 작용하에서 안구 시각느낌에 광원 영상이 투사한 광 로드에 여러차례의 굴절(반사) 작용으로 발생한 정상상태의 광선 난반사 작용(예를 들어 노출작용) 및 포트를 통과하며 생기게 되는 이중 슈퍼임포즈 (고스팅이라 속칭)를 감소시킨다. 이들은 (광의 간섭현상은 영상 선명도의 주 원인임) 제1반사방지막(4)의 작용에 의해 제거된다. 정면은 제2반사방지막(6)의 작용에 의해 시각 편정광축상 광선의 통과성 작용을 강화하고 할레이션 현상이 시각효과를 간섭함으로 인한 선명도의 점차적인 하락을 감소함으로써 광학 기기내부의 암실 효과가 더욱 좋고 안구 시각 느낌에 더욱 선명한 시각 인식도를 얻게 하였다. 상기 내용은 선명도의 증가 원리에 대한 설명이다.

삭제

이 3개 항의 부품 개량 설계 조합구조는 새로운 투사 영상 확대기술 (비등 초점거리의 영상 형성 광학 응용 원리)을 창조해 내었다. 주요 기술효과는 투영 확대영상이 투사 초점 거리와 영상 형성 초점 거리가 반드시 대등해야 하는 기초 기하광학원리를 돌파하여 영상 확대배율이 높을수록 영상 형성면 영상 변형율도 상대적으로 커지고 초점 거리를 단축하면 변형량이 더욱 크게 된다.

본 발명의 원리는 인류의 안구(가상 시각 감관기능) 영상 형성 원리를 이용하여 눈은 가장 정교한 층차 스캔 센서 장치로서 공간 층차감을 분별할수 있다는 것을 설명한다. 하지만 유독 멀티 초점 조정을 할수 없는데 (초점은 다만 한개) 이는 안구 수정체에 의한 것이기 때문이다.

본 기술은 기존에 설계한 대등 초점거리중의 영상 형성 초점거리를 단축시킨다. 즉 제3항의 이미징편을 제거하고, 제2항 유리편의 제1평면(8)에 역방향 작용을 하는 반사방지막을 코팅하여 영상 형성 평면으로 사용한다. 반사방지막의 역방향 작용에 의해 투사 영상 형성 초점 거리가 단축되고, 상대적으로 시각 편정광축상의 시각 초점거리도 유리편에 대폭으로 단축되었으며, 눈의 정교한 층차 감지기능 및 단일 초점 조정의 작용을 빌어 높은 통과성을 가진 유리편 제2평면(7)이 편정광축상의 시각 초점거리의 영상 형성면이 되게 한다. 이는 또한 망막상의 고정 초점이기도 하다. 유리편의 제2평면(7)에서 굴절 영상으로 형성된 허상은 안구의 층차공간 가상 시각기능에 의해 수정체의 편정광축상에 영상을 형성하므로 사람의 눈은 광학 기기의 암실효과에서 망막 영상 형성 초점을 편광유리 제2평면(7)에 고정시킨다. 하지만 변화가 발생하게 되는 허상은 안구(수정체)에서 층차 시각 감수를 형성하고 망막의 초점 변화에 영향주지 않는다. 이것이 바로 허상을 보아도 안구의 높은 빈도수 축소 확대 운동을 초래하지 않고 망막 고 빈도수 초점 조정이 눈에 피로감을 느끼게 하는 원리이다. 제1평면(8)의 광원 고 통과성을 빌어 배경 경물을 볼 수 있고 공간 허상이라는 안구 가상 시각 광학효과 원리를 형성한다.

영상 형성 초점 거리의 단축으로 확대영상의 방사형 광 로드 단축 및 영상 형성 초점거리의 변형 초점이 기존 편광축상의 이미징편에 존재하지 않으므로 변형되어 구부러진 면의 영상을 형성하지 않게 되고, 광원 영상도 이에 의해 영상 형성 초점 거리가 단축되고 요면 확대경이 초점거리의 초점을 제2평면(7)의 뒷쪽에서 굴절시킨다. 때문에 영상은 광속 굴절 교차한 제1초점인 요목경 앞에서 있고, 영상이 굴절작용에 의해 아래위가 뒤바뀌며 초점거리의 초점사이에서 영상이 형성된다. 또한 유리편 제2평면(7)에 의해 형성된 공간 허상은 평정하고 변형되지 않은 영상이고, 앞에서 말한 편정광축상의 영상 형상 초점거리 단축으로 영상확대배율이 더욱 커진듯한 시각적 효과를 느끼게 한다. 이것이 바로 영상의 평정하고 구부러지지 않고 변형하지 않으며 확대배율이 더욱 큰 시각작용 광학 응용원리에 대한 설명이다.

본 발명에 포함되지 않은 부분은 모두 기존의 기술과 동일하거나 기존 기술을 적용하여 실현할 수 있는 것이다.

1: 영상 모니터, 2: 광학투명재료, 3: 반사경, 4: 제1반사방지막, 5.: 편광막, 6: 제2반사방지막, 7: 제2평면, 8: 제1평면

Claims

영상 모니터, 광학투명재료와 반사경이 포함되며;
상기 광학투명재료는 영상 모니터와 상기 반사경 사이에 기울어지게 설치되고,
상기 광학투명재료 위에서 상기 영상 모니터와 마주한 상면에 제1반사방지막이 코팅되며, 하면에는 편광막과 제2반사방지막이 코팅되고,
상기 반사경과 상기 광학투명재료의 협각(α)과, 상기 제1반사방지막의 코팅각도(β)의 합(α+β)은 90도이며,
상기 제1반사방지막의 코팅각도는 기판에 비친 입자의 방향과 코팅할 표면의 법선 사이의 협각인 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.
제1항에 있어서,
상기 영상 모니터, 상기 광학 투명재료와 상기 반사경을 동축에 설치하는 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.
제1항에 있어서,
상기 광학투명재료가 시각 동축선에 위치하는 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.
제1항에 있어서,
상기 광학투명재료가 고온에 견디는 유리인 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.
제 1항에 있어서,
상기 반사경과 상기 광학투명재료의 협각이 45도이고, 상기 제1반사방지막의 코팅 각도는 45인 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.
제1항에 있어서,
상기 반사경은 요면 확대 반사경 또는 요면 확대 반사경 유닛인 것을 특징으로 하는 비등 초점거리, 고 확대배율의 허상 디스플레이 광학 기기.